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摘 要：NB-IoT俗称窄带物联网，有广阔的市场空间，是未来发展的主流方向。为了能更好地确定网络部署的建设方案，合理配置资源，站在NB-IoT的业务场景角度分析窄带物联网的特性，给出面向NB-IoT的核心网业务模型以及组网方案，能指导后续的核心网资源配置和未来规划方案。
关键词：NB-IoT；核心网；业务模型；组网方案
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）24-0296-02
1 引 言
相较于个人通讯业务的单调性，物联网具有种类多，应用广泛，发展空间大等特性。有人对未来的IoT业务进行预测，全球将于2020年产生500亿个物联网接口，其中一半以上的连接来自于低能耗广域市场，远远大于中高速率连接市场的规模。低能耗广域简称LPWA，是大连接类业务的统称，有成本低，覆盖广，功耗低等特点。LPWA包含了大量设备的接入、低速率小数据的分组、模组低成本、低功耗，覆盖广，能接受一定范围内的通讯时延等主要业务特性。NB-IoT作为其中的一种，包含其主要业务特性，多个国家的运营商都看到了其重要性，表示重点发展窄带物联网技术，并积极展开各项技术工作。
2 NB-IoT对核心网的要求
2.1 面向NB-IoT的核心网标准发展情况
旧版本中关于面向窄带物联网的核心网架构的核心部分已经冻结了，新版中正在优化增强架构及业务流程，包括授权用户覆盖等方便，目前已基本确定，NB-IoT核心网的必选方案、eMTC的可选方案为基于控制面优化的小分组传送增强方案，而核心网的可选方案为基于用户面优化的小分组传送增强方案。
2.2 面向NB-IoT的核心网架构
对于NB-IoT庞大的设备访问、低速率的小数据包、超低功耗和广泛覆盖，如果使用现有的EPC核心网络来承载NB-IoT服务，将会出现以下问题。
（1）控制表面效率低下
互联网业务大多是小数据包，速率很低，但是大量的设备访问会引起很多粘连，如业务请求、TAU，这将导致控制效率和资源使用效率低，以及系统性过载风险。
（2）EPC大规模功能冗余
NB-IoT服务通信行为是单一的，大部分是纯报告数据，或伴随少量下行数据，用户仍然或限制移动，因此有必要简化EPC移动管理、会话管理、分页等相关功能。
（3）造成终端耗电过多
现有的LTE/EPC和终端信号交互过程繁琐，IoT终端对长期耐久性能有相互矛盾的要求。例如，当小数据包数据传输和间隔时，网络需要建立连接并释放连接，从而产生大量的上下文传输相关的信令，不利于终端的节能。
（4）不支持非ip数据类型
非ip用户数据通常用于大规模传感器网络。在未来，NB-IoT服务应用程序也将具有非ip用户数据需求，这是现有EPCs不支持的。
（5）IP分组头压缩效率低
由于不频繁的小分组数据传输和移动性，eNB和UE中的预留报头压缩上下文可能被重置，这将导致用于数据分组的全部报头开销。
（6）对SMS的支持需要优化。
SGs支持现有4G用户SMS，无法避免连接附件，NB-IoT终端不需要连接。
为了解决上述问题，3GPP对NB-IoT的EPC核心网络架构进行了优化。优化后的架构图如图1所示。
NB-IoT核心网络使用简化的网络架构分别优化原始EPCMME、SGW和PGW中NB-IoT所需的功能，形成新的网络元素。EPC原有的S11、S5/S8接口全部更改。网络元素在内部交互，可以重用生成的NAS来建立安全连接，从而提高整体效率。优化后的核心网络和无线采用新的S1-lite接口，基于原EPCS1-C优化。对于高效的小数据包数据传输处理，S1-lite只保留S1-C中必要的相关性。该函数支持在NASPDU中封装用户数据，并通过无线端通过S1-lite传递给C-SGN。无线端运行需要支持S1-lite接口，终端也需要有处理S1-lite协议等相关进程的能力。C-SGN具有现有EPC的一些功能，并在几个领域得到增强：基于控制平面的小数据包数据传输优化；基于用户平面的小数据包数据传输优化；只需要高效的小数据包数据传输安全流程；支持NB-IoT用户，不附带SMS短信发送；增强分页以增强覆盖率；非ip用户数据支持两种情况，分别是SGi隧道或SCEF；支持不附加默认PDN连接。根据对现有电信设备厂家的调查，各厂家的设备没有采用3GPP的C-SGN架构，现有的EPC设备架构仍基本采用。上述NB-iot功能增强是在EPC设备的基础上进行的，以满足NB-IoT的业务功能需求。
3 NB-IoT核心网业务模型分析
根据GSMA，NB应用场景被分类，NB-IoT服务可以分为七个类别，21个子类别。先后按各种业务的顺序分为A，B，C，D，E，共5类，其中A类优先发展需要，如上述A类业务包括智能检测（燃气，水表等），智能停车传感器，工业资产跟踪，集装箱跟踪等。NB-IoT服务在一个小区域内基本上是静态的，网络带宽需求小于100kbit/s。對于这些业务的消息量和通信频率，3GPP给出了四种行为模式，并给出了每种行为模式的数据分组大小和通信频率参考模型，通过对现有2G物联网业务特征的分析，每个服务都具有上述四种行为中的几种。本文还介绍了国外运营商NB-IoT的采购模式。经分析，NB-IoT控制面约为4G模式的1/10，转发面流量较低，约为4G模式的1/10000。模型最初是估计的。上面的引用模型是针对活动用户而不是发卡用户的。NB-IoT服务的连接激活率参照设备制造商的设备配置模式。建议参考4G用户的附件激活率。此外，对于NB-IoT质量连接的特点，除了现有EPC核心网络的模型参数外，还需要确认设备的连接能力是否成为瓶颈。 4 NB-IoT核心网络组网方案
根据NB-IoT业务模型分析，NB-IoT用户业务模型指数小于个人4g用户的10%，如果根据现有的EPC设备能力估计大致连接数（假设设备支持条件下）NB-核心网络设备需求的IoT现在大约应该是EPC网络的10%。有两种方法可以构建NB-IoT核心网络。
（1）方案1：转换当前网络的EPC核心网络支持
有两种方法可以实现NB-IoT业务访问方案。一是改造部分EPC网元支持NB-IoT，负责整个网络/全省的NB-IoT业务接入，网络结构如图2所示。
根据商业模式预测NB-IoT核心网需求较少，可以通过改造部分EPC网元省负责NB-IoT业务，此计划应考虑用于当前网络MME池，SGW的影响力确定MME的范围，SGW修改，同时应结合业务运营管理平台在设置中考虑PGW设置模式。该方案的优点是转型规模小，对现有网络业务的影响范围小。缺点是可能需要调整省内S1接口的传输电路，以实现全省NB-IoT基站的接入。网络架构相对复杂；这不利于物联网业务的可持续发展。
第二种方式是将所有EPC网元转换为支持NB-IoT，并负责整个网络/全省的NB-IoT业务访问，网络结构如图3所示。
该方案还需要分别讨论MME，SGW和PGW的设置模式，并根据业务运营和业务管理平台的设置条件考虑PGW的设置方式。该方案的优点是网络架构简单，不需要电路调整。缺点是所有网元的功能转换和NB-IoT的大规模开发，这对当前的网络业务有很大的影响。
（2）方案2：新的独立NB-IoT核心网络设备方案2是建立新的独立NB-IoT核心网络设备，以满足NB-IoT业务接入要求。网络结构如图4所示。在该方案中，构建了一个新的NB-IoT核心网络。基于c-sgn逻辑架构或EPC架构，构建了一种新的NB-IoT核心网独立设备，实现了控制面和转发面的功能。考虑是否基于技术实现（例如通过SCEF或PGW实现非IP），业务开发和运营要求来构建SCEF。如果物联网（IoT）特殊网络中有HSS和SMSC设备，建议共享现有的IoTHSS和SMSC设备。如果没有，建议为物联网构建HSS和SMSC设备。计划1和计划2之间的比较是从标准化，供应商支持和施工工作量等方面进行的。考虑到NB-IoT业务发展的不确定性，当前的网络调整工作以及当前网络业务的影响等因素，提出早期方案两个独立的新的NB-IoT核心网建设，根据核心网业务的发展和演变进行跟踪，正在考虑是否与当前的网络EPC网络融合。考虑以下因素。
①提出的网络演进要求：只有基于NFV才能实现未来的5G核心网段。
②方便的业务部署和灵活的容量：目前，没有NB-IoT商业场景，模型估计，在NFV部署的基础上，方便灵活的扩展和收缩，可以弥补业务模式变化的影响，同时方便相关功能快速部署和升級等。
③NFV引入机会：NFV目前处于技术验证阶段，尽快推广NB-IoTEPC的NFV技术，在NB-IoT商业阶段与NFV技术同步构建EPC核心网络。因此，建议NFV公司建设NB-IoT核心网络设备，以满足未来网络演进和IoT服务灵活部署的需要。
5 结束语
自2017年以来，NB-IoT已被列为所有运营的重要业务战略，而国内三大运营商将进行大量试点项目并部署现有网络。为了更好地确定网络部署和资源分配的构建方案，从NB-IoT的业务场景出发，分析NB-IoT业务特征，面向NB-IoT的核心网业务模型参数和网络方案，为后续的NB-IoT核心网对资源配置和规划具有重要的指导意义。
参考文献
[1]金晓宏.NB-IoT规模部署场景下核心网组网方案研究[J].江苏通信，2017，33（3）：51～54.
[2]王计艳，王晓周，吴 倩，等.面向NB-IoT的核心网业务模型和组网方案[J].电信科学，2017，33（4）：148～154.
收稿日期：2018-7-13
关键词：NB-IoT；核心网；业务模型；组网方案
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）24-0296-02
1 引 言
相较于个人通讯业务的单调性，物联网具有种类多，应用广泛，发展空间大等特性。有人对未来的IoT业务进行预测，全球将于2020年产生500亿个物联网接口，其中一半以上的连接来自于低能耗广域市场，远远大于中高速率连接市场的规模。低能耗广域简称LPWA，是大连接类业务的统称，有成本低，覆盖广，功耗低等特点。LPWA包含了大量设备的接入、低速率小数据的分组、模组低成本、低功耗，覆盖广，能接受一定范围内的通讯时延等主要业务特性。NB-IoT作为其中的一种，包含其主要业务特性，多个国家的运营商都看到了其重要性，表示重点发展窄带物联网技术，并积极展开各项技术工作。
2 NB-IoT对核心网的要求
2.1 面向NB-IoT的核心网标准发展情况
旧版本中关于面向窄带物联网的核心网架构的核心部分已经冻结了，新版中正在优化增强架构及业务流程，包括授权用户覆盖等方便，目前已基本确定，NB-IoT核心网的必选方案、eMTC的可选方案为基于控制面优化的小分组传送增强方案，而核心网的可选方案为基于用户面优化的小分组传送增强方案。
2.2 面向NB-IoT的核心网架构
对于NB-IoT庞大的设备访问、低速率的小数据包、超低功耗和广泛覆盖，如果使用现有的EPC核心网络来承载NB-IoT服务，将会出现以下问题。
（1）控制表面效率低下
互联网业务大多是小数据包，速率很低，但是大量的设备访问会引起很多粘连，如业务请求、TAU，这将导致控制效率和资源使用效率低，以及系统性过载风险。
（2）EPC大规模功能冗余
NB-IoT服务通信行为是单一的，大部分是纯报告数据，或伴随少量下行数据，用户仍然或限制移动，因此有必要简化EPC移动管理、会话管理、分页等相关功能。
（3）造成终端耗电过多
现有的LTE/EPC和终端信号交互过程繁琐，IoT终端对长期耐久性能有相互矛盾的要求。例如，当小数据包数据传输和间隔时，网络需要建立连接并释放连接，从而产生大量的上下文传输相关的信令，不利于终端的节能。
（4）不支持非ip数据类型
非ip用户数据通常用于大规模传感器网络。在未来，NB-IoT服务应用程序也将具有非ip用户数据需求，这是现有EPCs不支持的。
（5）IP分组头压缩效率低
由于不频繁的小分组数据传输和移动性，eNB和UE中的预留报头压缩上下文可能被重置，这将导致用于数据分组的全部报头开销。
（6）对SMS的支持需要优化。
SGs支持现有4G用户SMS，无法避免连接附件，NB-IoT终端不需要连接。
为了解决上述问题，3GPP对NB-IoT的EPC核心网络架构进行了优化。优化后的架构图如图1所示。
NB-IoT核心网络使用简化的网络架构分别优化原始EPCMME、SGW和PGW中NB-IoT所需的功能，形成新的网络元素。EPC原有的S11、S5/S8接口全部更改。网络元素在内部交互，可以重用生成的NAS来建立安全连接，从而提高整体效率。优化后的核心网络和无线采用新的S1-lite接口，基于原EPCS1-C优化。对于高效的小数据包数据传输处理，S1-lite只保留S1-C中必要的相关性。该函数支持在NASPDU中封装用户数据，并通过无线端通过S1-lite传递给C-SGN。无线端运行需要支持S1-lite接口，终端也需要有处理S1-lite协议等相关进程的能力。C-SGN具有现有EPC的一些功能，并在几个领域得到增强：基于控制平面的小数据包数据传输优化；基于用户平面的小数据包数据传输优化；只需要高效的小数据包数据传输安全流程；支持NB-IoT用户，不附带SMS短信发送；增强分页以增强覆盖率；非ip用户数据支持两种情况，分别是SGi隧道或SCEF；支持不附加默认PDN连接。根据对现有电信设备厂家的调查，各厂家的设备没有采用3GPP的C-SGN架构，现有的EPC设备架构仍基本采用。上述NB-iot功能增强是在EPC设备的基础上进行的，以满足NB-IoT的业务功能需求。
3 NB-IoT核心网业务模型分析
根据GSMA，NB应用场景被分类，NB-IoT服务可以分为七个类别，21个子类别。先后按各种业务的顺序分为A，B，C，D，E，共5类，其中A类优先发展需要，如上述A类业务包括智能检测（燃气，水表等），智能停车传感器，工业资产跟踪，集装箱跟踪等。NB-IoT服务在一个小区域内基本上是静态的，网络带宽需求小于100kbit/s。對于这些业务的消息量和通信频率，3GPP给出了四种行为模式，并给出了每种行为模式的数据分组大小和通信频率参考模型，通过对现有2G物联网业务特征的分析，每个服务都具有上述四种行为中的几种。本文还介绍了国外运营商NB-IoT的采购模式。经分析，NB-IoT控制面约为4G模式的1/10，转发面流量较低，约为4G模式的1/10000。模型最初是估计的。上面的引用模型是针对活动用户而不是发卡用户的。NB-IoT服务的连接激活率参照设备制造商的设备配置模式。建议参考4G用户的附件激活率。此外，对于NB-IoT质量连接的特点，除了现有EPC核心网络的模型参数外，还需要确认设备的连接能力是否成为瓶颈。 4 NB-IoT核心网络组网方案
根据NB-IoT业务模型分析，NB-IoT用户业务模型指数小于个人4g用户的10%，如果根据现有的EPC设备能力估计大致连接数（假设设备支持条件下）NB-核心网络设备需求的IoT现在大约应该是EPC网络的10%。有两种方法可以构建NB-IoT核心网络。
（1）方案1：转换当前网络的EPC核心网络支持
有两种方法可以实现NB-IoT业务访问方案。一是改造部分EPC网元支持NB-IoT，负责整个网络/全省的NB-IoT业务接入，网络结构如图2所示。
根据商业模式预测NB-IoT核心网需求较少，可以通过改造部分EPC网元省负责NB-IoT业务，此计划应考虑用于当前网络MME池，SGW的影响力确定MME的范围，SGW修改，同时应结合业务运营管理平台在设置中考虑PGW设置模式。该方案的优点是转型规模小，对现有网络业务的影响范围小。缺点是可能需要调整省内S1接口的传输电路，以实现全省NB-IoT基站的接入。网络架构相对复杂；这不利于物联网业务的可持续发展。
第二种方式是将所有EPC网元转换为支持NB-IoT，并负责整个网络/全省的NB-IoT业务访问，网络结构如图3所示。
该方案还需要分别讨论MME，SGW和PGW的设置模式，并根据业务运营和业务管理平台的设置条件考虑PGW的设置方式。该方案的优点是网络架构简单，不需要电路调整。缺点是所有网元的功能转换和NB-IoT的大规模开发，这对当前的网络业务有很大的影响。
（2）方案2：新的独立NB-IoT核心网络设备方案2是建立新的独立NB-IoT核心网络设备，以满足NB-IoT业务接入要求。网络结构如图4所示。在该方案中，构建了一个新的NB-IoT核心网络。基于c-sgn逻辑架构或EPC架构，构建了一种新的NB-IoT核心网独立设备，实现了控制面和转发面的功能。考虑是否基于技术实现（例如通过SCEF或PGW实现非IP），业务开发和运营要求来构建SCEF。如果物联网（IoT）特殊网络中有HSS和SMSC设备，建议共享现有的IoTHSS和SMSC设备。如果没有，建议为物联网构建HSS和SMSC设备。计划1和计划2之间的比较是从标准化，供应商支持和施工工作量等方面进行的。考虑到NB-IoT业务发展的不确定性，当前的网络调整工作以及当前网络业务的影响等因素，提出早期方案两个独立的新的NB-IoT核心网建设，根据核心网业务的发展和演变进行跟踪，正在考虑是否与当前的网络EPC网络融合。考虑以下因素。
①提出的网络演进要求：只有基于NFV才能实现未来的5G核心网段。
②方便的业务部署和灵活的容量：目前，没有NB-IoT商业场景，模型估计，在NFV部署的基础上，方便灵活的扩展和收缩，可以弥补业务模式变化的影响，同时方便相关功能快速部署和升級等。
③NFV引入机会：NFV目前处于技术验证阶段，尽快推广NB-IoTEPC的NFV技术，在NB-IoT商业阶段与NFV技术同步构建EPC核心网络。因此，建议NFV公司建设NB-IoT核心网络设备，以满足未来网络演进和IoT服务灵活部署的需要。
5 结束语
自2017年以来，NB-IoT已被列为所有运营的重要业务战略，而国内三大运营商将进行大量试点项目并部署现有网络。为了更好地确定网络部署和资源分配的构建方案，从NB-IoT的业务场景出发，分析NB-IoT业务特征，面向NB-IoT的核心网业务模型参数和网络方案，为后续的NB-IoT核心网对资源配置和规划具有重要的指导意义。
参考文献
[1]金晓宏.NB-IoT规模部署场景下核心网组网方案研究[J].江苏通信，2017，33（3）：51～54.
[2]王计艳，王晓周，吴 倩，等.面向NB-IoT的核心网业务模型和组网方案[J].电信科学，2017，33（4）：148～154.
收稿日期：2018-7-13